JPH04362090A - 分子線エピタキシャル成長方法 - Google Patents

分子線エピタキシャル成長方法

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JPH04362090A
JPH04362090A JP15953591A JP15953591A JPH04362090A JP H04362090 A JPH04362090 A JP H04362090A JP 15953591 A JP15953591 A JP 15953591A JP 15953591 A JP15953591 A JP 15953591A JP H04362090 A JPH04362090 A JP H04362090A
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heater
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Misao Takakusaki
操 高草木
Tsutomu Ozaki
尾崎 勉
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Nikko Kyodo Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、 III−V族化合物
半導体、特には複数の III族元素を含む多元混晶I
II−V族化合物半導体の分子線エピタキシャル成長方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】III −V族化合物半導体の分子線エ
ピタキシャル成長方法において、成長速度はIII 族
原料の分子線量に比例する。 III族原料の分子線量
は、その蒸気圧で表わされ、蒸発源セルの温度で制御し
、設定するのが一般的である。この蒸発源セルは、蒸発
源原料を入れるるつぼと、そのるつぼを加熱する1組の
ヒーターで構成されている。通常、 III族原料の蒸
発源セルの原料の温度を制御するため、るつぼ底部に設
置した熱電対を用いてヒータの温度を調整している。
【0003】また、Ga等の III族原料に起因する
オーバルディフェクトと呼ばれる表面欠陥を低減するた
め、蒸発源セルの加熱に底部・開口部に分かれた2段型
ヒーターを用いている例もある。(特公昭63−155
715)この場合の成長速度の制御は、2段型ヒーター
の底部ヒーターで行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】III−III −V
族の3元素混晶の成長などにおいては、厳密に成長速度
、すなわち混晶組成を制御する必要がある。この場合、
温度に対する蒸気圧の変化率は物質により一定であるの
で、III 族の蒸発源セルの温度を0.1℃のオーダ
ーで制御する必要がある。しかし、蒸発源セルの温度を
厳密に制御することは難しく、小さな温度変動が混晶組
成に大きな影響を与えていた。このため、再現性に乏し
く、安定なエピタキシャル成長ができなかった。
【0005】本発明は上記の欠点を防ぐためになされた
もので、III −V族化合物半導体の分子線エピタキ
シャル成長方法において、蒸発源セルの制御温度に対す
る分子線量(蒸気圧)の変化率を小さくし、成長速度、
組成比の制御性、再現性を向上し、安定なエピタキシャ
ル成長を可能とすることを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、開口部と底部
をそれぞれ独立に温度制御できる蒸発源セルを用いてI
II族元素を蒸発させて、 III−V族化合物半導体
を成長する分子線エピタキシャル成長方法において、前
記蒸発源セルの底部を一定の温度に設定し、前記蒸発源
セルの開口部の温度を調整して所定の III族元素の
分子線量を得ることを特徴とするものである。
【0007】
【作用】III族元素の蒸気圧Pは、その温度Tの関数
として、せまい温度範囲では近似的に次式で表わされる
。 (ただし、kはボルツマン定数)         P=Po exp (−Ea/kT)
  ……………………………………(1)この式1のE
aは、蒸発の活性化エネルギーまたは蒸発の自由エネル
ギーの変化に対応した定数である。ゆえに、蒸発源セル
内の III族元素の蒸気圧で決定される分子線量を制
御する場合、温度Tに対する蒸気圧Pの変化率は一定で
あり、厳密な分子線量の制御のためには、より厳密な温
度制御が必要となっていた。
【0008】本発明は、2段型ヒーターを用いて開口部
(るつぼ先端部)の温度のみで分子線量を制御するもの
で、開口部の温度Ttop に対する蒸発の活性化エネ
ルギーが見かけ上小さくなることを利用している。
【0009】図1にInを蒸発源とした場合の分子線量
P(蒸気圧)と開口部の温度Ttopの逆数との関係を
示す。図中●は、開口部の温度(Ttop)と底部の温
度(Tbottom)の温度差を一定とした場合である
。一方○は、Tbottomを一定としてTtop を
変化させた場合の分子線量を表わしている。温度差一定
の場合の活性化エネルギーは約2.6eVであり、蒸発
の活性化エネルギーに対応しているが、Ttop のみ
で制御を行った場合には、その見かけ上の活性化エネル
ギーは約0.5eVと蒸発の活性化エネルギーの1/5
程度となっている。これは底部のヒーターで原料の温度
は一定に保たれているが、蒸発する原料表面の温度が開
口部の温度Ttop により変化し、分子線量が変化す
るものである。
【0010】
【実施例】実施例として、Inx Ga1−x As混
晶の分子線エピタキシャル成長方法を以下に説明する。 Inx Ga1−x As混晶は、InP基板に格子整
合することができるInAsとGaAsの混晶である。 InP基板に格子整合するInx Ga1−x Asの
組成xは0.532であり、格子不整Δa/aを5.0
E−4以下とするためには、組成xを0.525〜0.
539の間に制御する必要がある。
【0011】InP基板上へのInx Ga1−x A
sの成長は、In、Ga、As用の3つの蒸発源セルを
備えたMBE成長装置を用いて行なう。図2に断面図を
示す蒸発源セルは、In、Ga、Asの蒸発源原料1を
入れた片端を封じた管状のるつぼ2と、そのるつぼを所
定温度に加熱するヒータ3を備えている。このうち、I
n用の蒸発源セルは、るつぼの底部に高純度の金属In
を入れ、るつぼの開口部と底部をそれぞれ独立に温度制
御可能なヒータ3a、3bを備えている。
【0012】成長条件として、InP基板温度を500
℃、V族とIII 族の分子線強度比を25、Ga用蒸
発源セルの温度をGaAsとしての成長速度が0.5μ
m/hとなるように制御している。In用の蒸発源セル
のるつぼ底部のヒータ温度を790℃とした。るつぼ開
口部のヒータ温度が876℃のときΔa/a≒0となり
InPと格子整合するIn0.532 Ga0.468
Asが得られた。なお、このときのInAsとしての成
長速度は0.41μm/hである。
【0013】るつぼ開口部のヒータ温度(Ttop )
を変化させたときのInAsの成長速度G1を検討した
。成長したInx Ga1−x As層のX線二結晶の
ロッキング曲線により格子不正合Δa/aを評価して求
め、この組成からInAsとしての成長速度G1を求め
た。その結果、成長速度G1とヒータ温度Ttop の
アレニウスプロットから次式が得られた。   G1[μm/h]=196.1 exp(−0.5
65[eV]/kTtop [K])……(2)
【00
14】式2をヒータ温度Ttop で微分して成長速度
G1の変化率を求めると、格子整合する温度付近では、
dG1/dTtop =0.0034[μm/h・K]
である。
【0015】比較例として、In用の蒸発源セルとして
、単一のヒータによりるつぼを加熱するものを用い、他
は上述の実施例と同様としてInx Ga1−x As
混晶の成長を行った。
【0016】この場合、ヒータ温度Tが815℃のとき
に格子整合し、InAsとしての成長速度G2とヒータ
温度Tのアレニウスプロットから次式が得られた。 G2[μm/h]=2.91E+9 exp(−2.1
0[eV]/kT[K] )………(3)
【0017】式3を温度Tで微分して成長速度G2の変
化率を求めると、格子整合する温度付近では、dG2/
dT=0.0112[μm/h・K]である。
【0018】したがって、GaAsとしての成長速度が
0.5μm/hであり、それに格子整合する組成xのI
nAsとしての成長速度は0.41μm/hであるから
、実施例である2段ヒーターの場合、ヒータ温度Tto
p に対する組成の変化率は0.0014[/K] で
ある。 一方、比較例である単一ヒーターの場合の組成の変化率
は0.0046[/K] となる。
【0019】格子不正合Δa/aを5.0E−4以下を
達成するためには、比較例である単一ヒーターではヒー
タ温度を±1.5℃の範囲内に制御する必要がある。し
かし、本実施例ではヒータ温度を±5℃の範囲内で制御
すれば良く、組成制御を正確に行うための範囲を広くと
ることができ、容易に制御が可能で再現性も向上した。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、開口部
と底部をそれぞれ独立に温度制御できる蒸発源セルを用
いて III族元素を蒸発させて III−V族化合物
半導体を成長する分子線エピタキシャル成長方法におい
て、前記蒸発源セルの底部を一定の温度に設定し、前記
蒸発源セルの開口部の温度を調整して所定の III族
元素の分子線量を得ることを特徴とするものである。
【0021】したがって、制御する温度変化に対する分
子線量の変化率を小さくする事ができ、再現性よく最適
な成長速度に制御することができる。特に、InGaA
s等の混晶の制御においては、厳密にかつ容易にInA
s,GaAs等の成長速度の制御が可能となり、目的の
混晶組成を得る事ができる。さらに、混晶の組成を連続
的に変化させるような組成傾斜構造の作成においても、
組成勾配の制御が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の作用を説明するため、分子線量と温度
逆数との関係を示す図である。
【図2】本発明の実施例で用いる蒸発源セルを説明する
ための概念図である。
【符号の説明】
1…蒸発源原料、 2…るつぼ、 3a、3b…ヒータ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  開口部と底部をそれぞれ独立に温度制
    御できる蒸発源セルを用いて III族元素を蒸発させ
    て III−V族化合物半導体を成長する分子線エピタ
    キシャル成長方法において、前記蒸発源セルの底部を一
    定の温度に設定し、前記蒸発源セルの開口部の温度を調
    整して所定の III族元素の分子線量を得ることを特
    徴とする分子線エピタキシャル成長方法。
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